“九章四号”登上Nature！一群“不撞南墙不回头”的人，再次刷新量子计算世界纪录

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有这样一道题，今天最快的超级计算机要算上 10⁴² 年才能完成求解。



10⁴² 年是什么概念？大概时间长到太阳从诞生到熄灭，不过是其中微不足道的一瞬；长到人类文明的全部历史，在它面前也几乎没有刻度。


而中国科学技术大学团队研制的“九章四号”量子计算原型机，在求解同一个特定问题时，生成一个样本只用了 25 微秒。



那 25 微秒有多快？大约是眨一次眼的千分之一那么快。

“九章四号”量子计算原型机局部，图源：新华社


这个对比很让人恍惚：一种计算方式，为什么能快上一百万亿亿亿亿亿亿倍？为什么能把几乎无法抵达的时间，压缩到一瞬间？


它当然不是一台可以放在桌面上的“超级电脑”，也不能立刻替我们破解所有难题。更准确地说，“九章四号”是在一个特定问题上，展示了量子计算相对于经典计算的巨大优势。它像是从量子世界里投来的一束光，让人看见：计算这件事，或许真的存在另一套规则。


2026 年 5 月，中国科学技术大学“九章四号”的相关成果发表在《自然》（Nature）上。它还不是一台通用量子计算机，也还不能完成三十年前那个著名赌约中的任务——分解 500 位数。但它的意义正在于此：在通往真正可用的量子计算机之前，人类需要一次次证明，那条路并不是幻想。

图源：陆朝阳团队提供

时间回到 31 年前，在一次国际学术会议上，全世界的科学家们在一起打了一个赌：第一个分解出 500 位数的，会是量子计算机，还是经典计算机？


先来解释一下“分解 500 位数”是一个什么样的问题。我们知道 15 可以拆成 3×5，这叫质因数分解。但如果这个数有 500 位，事情就完全不同了。它大到接近天文尺度，经典计算机想要完成这类计算，几乎不可能。


当时，大部分与会科学家选择了量子计算机。但这个选择里，并没有多少轻松的乐观。因为量子计算虽然在理论上可行，但距离“真正造出那样一台机器”，却遥远得像一个预言。有人甚至认为，即便太阳熄灭、燃尽，人类也未必做得到。


三十年后，“九章四号”还没有走到那个赌约的终点，却已经在另一类特定问题上展示了量子计算的优势。它像是对那个旧赌约的一次回应：太阳还没有燃尽，人类已经开始接近那个曾被认为遥不可及的答案。


量子计算是个啥？


先从经典计算机说起。


我们手里的电脑、手机芯片，以及训练 AI 用的 GPU 集群，处理信息的基本单位都是“比特”。比特用 0 和 1 表示数据，一个比特就像一个开关，要么是0（关），要么是1（开）。比如一台 64 位（这里的“位”就是“比特”）电脑，一次可以处理一串由 64 个 0 和 1 组成的数据。


而量子计算机的基本单位叫“量子比特”。这家伙很特别，它可以同时处于 0 和 1 的叠加态。打个比方，它像一枚正在桌面上旋转的硬币，在落定之前，既不是单纯的正面，也不是单纯的反面，而是同时处于正面和反面的叠加态。


这就带来一个好处，即实现“量子并行”，如同走迷宫，经典计算机一次走一条路慢慢试错，而量子计算机存在叠加态，所以能同时发出好多个分身，同时在多条路径中试错，在许多可能性中寻找答案，从而实现指数级加速。

比特和量子比特的对比：量子比特可以同时是 0 和 1，球面上每一个点都是量子比特可能处于的状态；图源：AI 制作


具体来说：


1 个经典比特，同一时间只能表示 1 种状态（0 或 1）；


2 个经典比特，同一时间只能表示 1 种状态（01 或 10 或 00 或 11 其中的一种）。


相比之下：


1 个量子比特，同一时间可以同时表示 2 种状态的叠加（0+1）；


2 个量子比特，则同时表示 4 种状态的叠加（00 + 01 + 10 + 11）；


N 个量子比特，可以同时表示 2ⁿ 种可能性的叠加。


也就是说，一台经典 64 位电脑一步只能算一个数，但如果一台量子计算机拥有 64 个量子比特，它所能描述的状态空间就会达到 2⁶⁴，约为 1.84×10¹⁹。也正因为如此，量子计算在某些特定问题上，可能展现出经典计算机难以企及的潜力。


当然，量子计算并不是对所有问题都有效。它不是一台“什么都更快”的万能机器，而是一种原理上完全不同的计算方式。它真正有意义的地方，在于一些经典计算机很难处理的问题。


比如材料科学。


从微观层面看，材料科学本质上是在理解原子和电子在材料中的行为。经典计算机处理这类问题非常吃力，精度也有限；量子计算机则有望直接模拟材料在微观层面的性质，提前预测它的性能。超导材料、太阳能电池材料等新材料的研发，未来都有可能因此加速，研发速度可能从几十年压缩到几个月甚至数周。


在密码学领域，量子计算则扮演着“双面角色”。


一方面，它可能成为破坏者：足够强大的量子计算机，可以快速破解 RSA、ECC 等今天保护网上银行、电子邮件的加密算法，冲击传统数字安全系统；另一方面，它也可能成为建设者：科学家们正在开发“抗量子加密算法”，而量子计算本身也可以用来验证这些新算法是否安全。


全球量子竞赛


量子计算，是全球前沿科技竞赛的一个重点领域。


如果和 AI 相比，差别会更清楚。近几年，AI 大模型被视为新一轮信息革命的核心引擎。但 AI 的爆发，本质上仍然运行在经典计算机的规则体系之内，它是在旧体系里的高速奔跑的拼命狂奔，一路生花。


量子计算则不同。它试图建立一种新的颠覆式的计算范式。在某些关键领域，它可能极大拓展人类处理信息的边界。正因如此，各个大国和主要经济体都早早开始布局，中国也是第一梯队中的重要参与者。

光量子计算的国际竞争态势，图源：中国科技大学官网


量子计算有多条技术路线，包括超导、离子阱、光量子、中性原子等。中国科大团队，是唯一在超导和光量子两条技术路线上都验证了“量子计算优越性”的团队。


他们为这两个路径的系列计算机取了极具中式浪漫的名字：超导路线的量子计算机叫“祖冲之”，光量子路线的量子计算机叫“九章”。前者来自中国历史上最知名的数学家之一，后者来自中国古代数学专著《九章算术》。


至于怎么理解量子计算优越性，还要回到 2019 年。那一年，谷歌联合加州大学推出 53 比特超导处理器“悬铃木”，率先宣称实现“量子计算优越性”，西方也曾将其称为“量子霸权”。


而就在谷歌发布悬铃木的不久后，中国科大潘建伟、陆朝阳和上海人工智能实验室的钟翰森就全面打破了谷歌宣称的量子霸权，重新定义“量子计算优越性”的边界。


2020 年，中国科大团队成功研制 76 光子的“九章”光量子计算原型机，在国际上首次在光学体系中实现量子计算优越性，并且克服了谷歌方案中依赖样本数量的漏洞。次年，中国科大推出“九章二号”，光子数提升至 113；2023 年，“九章三号”又将光子数刷新至 255。


2026 年 5 月 13 日，“九章四号”登陆 Nature。这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队及其联合科研单位共同研制出的量子计算原型机，可以操纵和探测高达 3050 个光子的量子态，再度刷新光量子信息技术世界纪录。


成果中提到的“3050 个光子”比九章三号提升了 10 倍多，同时在低损耗上也有极大优势，这一成果为中国未来建设通用量子计算机奠定了坚实基础。

点击可放大，九章四号原型机示意图，图源：中国科学技术大学官网


可以说，九章系列量子计算机的每一次更新迭代，都是把算力壁垒拉高了一个维度。


量子背面


量子计算，听起来总是十分宏大的。它关乎算力规则的突破，关乎密码与安全，关乎未来科技竞争的主动权。它复杂、反直觉、不可捉摸，也很难被日常经验真正把握。


很多时候，人们谈起它，像是在谈一件离生活很远的东西：公式、设备、论文、世界纪录，还有那些大到失去真实感的数字。


但其实，在这些宏大词语背后，做这件事的人，过着无比真实又具体的生活。

中国科学技术大学团队，图源：陆朝阳提供

陆朝阳刚读研究生那会儿，导师交给他一个几乎不可能完成的任务——制备六光子纠缠态。他闷头做了好几个月，双休日、节假日全搭进去，连春节都没回家。


一个冬天的深夜，做完实验出来，陆朝阳发现外面下了雪，踩上去一步一脚印，“咯吱咯吱”地响。宿舍在西区，他一个人踩着积雪，从东区慢慢走回去。时值夜半，四野无人，路灯昏黄，他却觉得“这夜色中的雪实在太美了，一点儿也没觉得累”。


后来他说，做科研就是和天地对话。这句话听起来很浪漫，但那种浪漫并不轻飘。它背后是长时间的重复、失败、等待和重新开始。真正支撑一个人走下去的，往往不是外界想象中的掌声，而是某个深夜里，他忽然觉得自己正在接近一点什么。


2021 年某个凌晨二点，“九章三号”实验室楼上突然漏水。彼时还是博士生的钟翰森正在做实验，听到异响，抬头一看，水正沿着墙壁往下渗，他连忙叫来其他课题组同学，一番紧急处置后，险情排除。


事后评估，如果晚十分钟，“九章三号”的实验要推迟一年以上。学校奖励几个学生 12 万块钱，他们却心有余悸地表示：我们是真怕影响实验进度。


这句话比“科研精神”四个字更有力量。因为它不是口号，而是人在关键时刻最本能的反应：先护住实验，先别让那么多人、那么久的努力白费。


现在的钟翰森是上海人工智能实验室深耕 AI for Science 领域的科学家。去年，他和陆朝阳合作基于 AI 技术实现了全球最大规模 2000+ 量子比特中性原子阵列的构建，性能超越现有所有解码器；同年，他作为通讯作者在《Nature》（自然）发表融合计算光学与人工智能的裸眼 3D 显示技术 EyeReal 研究论文。


钟翰森开玩笑说，当时救设备的事儿上了热搜，直到现在，传播范围仍然比他辛辛苦苦做出来的科研成果还要广。


这多少有点无奈，也有点好笑。科学家的工作常常如此：真正艰难的部分，通常发生在公众看不见的地方；被看见的，反而可能是一个意外、一场险情。


所以，量子背后并不只有艰深的公式、庞大的设备和国家之间的竞赛。它背后还有一群具体的人，可爱的人。他们会哼喜欢的歌，会追二次元，会在雪夜里独自走很久，也会在实验室漏水时第一时间冲上去。他们把那个曾被爱因斯坦称为“鬼魅”的量子世界，当成了最大的乐趣。


这种乐趣不在于被多少人看见。它沉静、笃定，甚至带着一点“不撞南墙不回头”的意味。你看不见它，但你知道它存在；你摸不着它，却真的可以把它造出来。


而这份快乐，最终长成了一个国家的底气。量子计算的赛道上，谁先跑通，谁就握住下一个时代的算力、密码与安全。他们用自己的热爱，替国家乃至人类蹚出了一条通向未来的路。


注定只有极少数人，能在量子世界里找到快乐，长出信念。这群人不信“太阳燃尽”的预言，只信“跳起来才够得着”。


于是，他们带着这样的勇气一跃而起，试图抓住“太阳”。




策划制作
作者丨王喻 张林林 科普创作者
审核丨陆朝阳 量子物理学家，中国科学技术大学讲席教授、世界青年科学家联合会理事长
策划丨张林林、何雨濛
责编丨张林林